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北京奥运场馆：八度抗震保百年建筑
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内容提示：“鸟巢”和“水立方”的设计使用年限是100年，其间即便遭遇设计抗震烈度范围内的地震、雷击等自然灾害，结构、功能依然不变。凭的是什么？最关键的一点，就是这些建筑的设计抗震标准为8度。
“鸟巢”和“水立方”的设计使用年限是100年，其间即便遭遇设计抗震烈度范围内的地震、雷击等自然灾害，结构、功能依然不变。凭的是什么？最关键的一点，就是这些建筑的设计抗震标准为8度。（参考《建筑中文网》）
在“鸟巢”、 “水立方” 和五棵松体育馆等三大场馆的建设中，充分利用了传统的抗震技术，俗称“硬抗”，即通过加强结构、加大构件断面、多配筋等途径把房子建的结实一些，以此来抵抗地震的冲击力。而在13个场馆的改扩建中，则利用了积极的抗震方法，俗称“软抗”，就是以结构隔震、减震、制震为特点的结构震动控制方法。一系列抗震措施的合理采用，确保了北京奥运场馆即使遭遇8级强地震，也能傲然耸立。
三大标志建筑抗震全靠自身“硬”
“鸟巢”是目前世界上横跨面积最长的体育场：“水立方”长宽各177米，没使用一根钢索、混凝土圆柱或建筑横梁。这样大跨度的建筑物，抗震难度无疑非常大，采用传统的钢筋混凝土结构几乎不可能。因此，“鸟巢”、 “水立方”和五棵松体育馆的设计者在结构选型上都选择了钢结构。因为钢结构具有优越的强度、韧性和延性，抗震性能好。震害调查表明，钢结构较少出现倒塌破坏情况。
三大场馆在抗震方面都是采用了传统的“硬抗”技术，即通过增强建筑物自身的强度，来抵抗地震的冲击。
“鸟巢”所用钢材强度是普通钢的两倍，是由我国自主创新研发的特种钢材，集刚强、柔韧于一体，从而保证了“鸟巢”在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢复到原有形状，也就是说能抵抗当年唐山大地震那样的地震波。托起“鸟巢”最关键的是 “肩部”结构，这一部分所用的钢材——“Q460”在国内建筑上使用尚属首次。“Q460”钢材以前在国内从未生产过，而这次使用的钢板厚度达到110毫米，也是史无前例的。在国家标准中，“Q460”的最大厚度只是100毫米。不仅在钢材厚度和使用范围都是前所未有的，而且它具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性等特点。为满足抗震要求，钢构件的节点部位特别作了加厚处理，杆件的联结方式一律为焊接，以增加结构整体的刚度和强度。
“鸟巢”凌空的屋顶气势不凡，支撑它的24根巨大钢柱脚更是壮观雄伟。为保证建造在8度抗震设防的高烈度地震区的“鸟巢”能站稳脚跟，科研设计人员克服“鸟巢”柱脚集合尺寸大且构造复杂、我国现行规范的计算假定与设计方法难以适用等情况，为这些钢柱脚增加了底座和铆钉，将柱脚牢牢铆在了混凝土中。 柱脚下的承台厚度高达4~6米，24根巨大钢柱分别与24个巨大的钢筋混凝土墩子牢固地连在一起，共同擎起巨大的“鸟巢”。
与“高大健壮”的“鸟巢”相比，晶莹剔透的“水立方”，看起来似乎有点“柔弱”，人们不禁会问，它结实吗？能抵抗8级地震吗？
其实，“水立方”是典型的外柔内刚。外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的是坚实的钢结构，里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。 “水立方”的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状细钢管组成，这些节点均匀地分担着建筑物的重量，使其坚固得足以经受住最强的地震。“水立方”的地下部分是钢筋混凝土结构，在浇筑混凝土的时候，在每根钢柱的位置都设置了预埋件（上部为钢块），钢结构的钢柱与这些预埋件牢固地焊接在一起，使得地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”才拥有了“过硬的身体”，达到了8度抗震的标准。
五棵松体育馆采用的也是传统的“硬抗”技术。据北京市建筑设计研究院参与设计的工程师介绍，五棵松体育馆首轮设计方案结构非常复杂，属复杂超限高层建筑，抗震设计难度很大。后进行了较大的调整，主要是对场馆进行了“瘦身”，调整后的结构体系与首轮初步设计相比其复杂程度已大大降低，结构体系更趋合理，已不再属于复杂超限高层建筑，防震也相对好做一些。
设计中按多遇地震、设防地震和罕遇地震三个标准分别进行了验算，保证关键部位的构件（周边20根钢柱、看台挑梁、侧向钢支撑和屋顶等）在设防地震作用下处于弹性状态，罕遇地震作用下满足变形要求的设防目标。对主要承重柱的配筋构造参照特一级的要求予以加强。
体育馆主体结构在二层以下采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，这种结构有利于增强结构的整体性和抗震性能。在二层以上至屋顶桁架的下弦这一高度范围内沿建筑周边布置柱间支撑，通过支撑加强柱子之间的连接，形成现浇钢筋混凝土框架-剪力墙-钢支撑结构体系。
奥运场馆改造：“硬抗”与“软抗”相结合
2008年奥运会北京32个比赛场馆中，现有场馆改扩建13个。此外，还要改造59个训练场馆，同时配套建设残奥会专用设施。北京被历代帝王视为风水宝地，实际上这块土地处于8度抗震设防的高烈度地震区。但由于历史原因，现有场馆大多数无抗震设防设施，防火标准很低。为了确保这些场馆正常使用和抗震、防火安全，在对场馆进行改造以满足奥运会功能要求的同时，还需要对结构进行抗震加固和防火改造。
与三大场馆的抗震技术不同，在现有体育场馆加固改造中，在“强化”建筑自身的同时，还引入了“软抗”技术。一方面“强化”结构，采用粘钢、碳纤维片和扩大截面法，对钢筋混凝土构件进行加固，采用粘钢板和角钢对梁、柱节点加固，对工人体育馆三层看台斜梁采用高强钢绞线-聚合物砂浆面层加固。另一方面“软化”结构，大量采用消能减震技术。结构消能减震和阻尼减震体系是把结构的某些非承重构件设计成消能部件，或在结构物的某些部位（如节点和连接处）装设阻尼器，发生地震时，阻尼器大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构在强震中不被破坏，不产生过大变形。与传统抗震相比，结构消能减震可使地震反应减小40%~60%.因此，结构消能减震技术是一种非常安全可靠的抗震技术。
由于使用需要，工人体育馆屋面要增加20吨悬吊荷载，在原有轮辐式悬索屋面结构与新增悬吊承载体系之间设置粘滞阻尼器，在首都体育馆和奥体中心主体育场看台部分设置软钢阻尼器，达到大震下抗倒塌要求。
总体而言，奥运三大标志性建筑基本上都是采用了传统的抗震技术，在结构选型、材料应用等方面有一些创新，尤其是“鸟巢”所使用的特种钢材和“水立方”的空间结构形式，将对未来大型场馆建设起到很大的推动作用。
相比之下，奥运场馆改造过程中采用的抗震加固的技术实用性和可操作性极强，会对民用建筑抗震安全起到立竿见影的促进作用。据有关专家介绍，北京目前有30%的建筑物没有设防或没有达到新的抗震设防标准，国内其他城市更是如此。作为首都圈防震减灾示范区的地标建筑，北京火车站、北京饭店、北京展览馆等建筑内的人流密集，但这些建筑均未经抗震设防或达不到北京地区8度抗震设防要求，一旦发生地震将产生严重后果。此外，一些学校、医院等对灾后紧急救援起关键作用的建筑，也存在同样的问题。因此，抗震减灾技术的市场前景非常广阔。这些大型公共建筑的抗震加固改造技术的开发及应用，对提高建筑物功能和地震安全性、保障人民生命财产、维护社会稳定和经济可持续发展具有重大意义。
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200806/11331.htm
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